GIÁO TRÌNH TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG PHẦN 1 chuong 1 den 4

CHƯƠNG I
CƠ SỞ VẬT LÝ – KỸ THUẬT
CỦA ĐIỆN NHIỆT
-----oOo-----

1.1.

KHÁI NIỆM VỀ ĐIỆN NHIỆT VÀ CÁC BIỆN PHÁP BIẾN
ĐỔI ĐIỆN NHIỆT.

Khái niệm điện nhiệt xuất hiện trong nhiều quá trình công nghệ
khác nhau của sản xuất công nghiệp. Ý nghóa chủ yếu của nó là việc cấp
nhiệt cho các vật liệu và sản phẩm khác nhau nhờ năng lượng điện. Ưu
điểm của phương pháp cấp nhiệt nhờ năng lượng điện là : 1. Có khả năng
thu hẹp phạm vi sử dụng môi trường xung quanh trong công tác. 2. Điều
chỉnh nhiệt độ chuẩn xác, tạo ra được dòng nhiệt tập trung với mật độ cao
và tạo được nhiệt trường cần thiết trong không gian cấp nhiệt. 3. Có khả
năng kiểm tra nghiêm ngặt và điều chỉnh chính xác nguồn năng lượng tiêu
thụ. 4. Có khả năng cấp nhiệt cho các vật liệu và sản phẩm nằm trong các
môi trường khi có các thành phần hoá học khác nhau và trong chân không.
5. Có khả năng tạo ra nhiệt độ từ bản thân vật thể cần đốt nóng. Ngoài ra
quá trình điện nhiệt cho phép tiết kiệm nguyên liệu đốt và giảm số lượng
nhân viên phục vụ.
Có các biện pháp biến đổi điện nhiệt như sau :
a. Đốt nóng nhờ điện trở : theo đònh luật joule, khi có dòng điện chảy
qua vật dẫn điện, tổn hao năng lượng trong vật dẫn điện chuyển
hoá dưới dạng nhiệt, tỏa ra môi trường xung quanh. Biện pháp này
có thể sử dụng trong các thiết bò điện nhiệt tác động trực tiếp và
gián tiếp.
b. Đốt nóng nhờ cảm ứng: dựa trên cơ sở biến đổi năng lượng trường
điện từ thành nhiệt nhờ việc gây ra trong vật thể dòng điện xoáy

(Foucalts) và việc nhiệt sinh ra trong vật thể đó cũng tuân thủ theo
đònh luật joule.
c. Đốt nóng nhờ điện môi : khi vật thể cách điện hoặc bán dẫn được
đặt trong điện trường tần số cao, xuất hiện hiện trường phân cực.
Tổn hao do các dòng điện dẫn và chuyển dòch sẽ chuyển hoá thành
nhiệt.

1


d. Đốt nóng nhờ hồ quang điện : ở đây vật thể được đốt nóng la ødo hồ
quang điện cũng như do sự trao đổi ions – electrons ở các điện cực.
e. Đốt nóng nhờ plasma : khi chất khí bò ion hoá do nhiệt độ của hồ
quang hoặc do từ trường hoặc điện trường tần số cao, có thể nhận
được plasma nhiệt độ thấp dùng trong cấp nhiệt cho các vật khác
nhau.
f. Đốt nóng nhờ chùm tia electrons : nhiệt năng sinh ra ở đây là do
chùm tia electrons được gia tốc bằng điện trường va đập lên bề mặt
vật thể.
g. Đốt nóng nhờ tia laser : bề mặt vật thể được đốt nóng khi hấp thu
luồng ánh sáng đơn sắc mật độ cao, gọi là tia laser. Tia laser do
máy phát laser tạo ra.
1.2.

VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG CÁC LÒ ĐIỆN :

Để chế tạo ra các thiết bò điện nhiệt người ta phải sử dụng hàng loạt
các vật liệu đặc biệt có khả năng chòu đựng được nhiệt độ cao.
1. Gạch chòu lửa :
Là vật liệu nền tảng để tạo ra các lò nhiệt và các thiết bò nhiệt khác

nhau. Gạch chòu lửa có khả năng chòu được nhiệt độ cao (trên 1200 0K) và
có khả năng đảm bảo được các yêu cầu sau :
- Tính chòu lửa : không bò biến dạng và nóng chảy dưới tác động của
nhiệt độ cao. Có thể phân chia thành 3 cấp chòu lửa như sau : cấp
thứ nhất được gọi là chòu lửa (1580 – 1770 0K), cấp thứ hai : chòu lửa
cao (1770 – 20000K), cấp thứ ba : siêu chòu lửa (cao hơn 20000K).
Vật liệu có tính chòu lửa thất hơn 1580 0K được gọi là vật liệu cách
nhiệt.
- Độ bền cơ : được thể hiện ở sức chòu đựng tải trọng 20Kpa ở nhiệt
độ làm việc tối đa, khi đó vật liệu bắt đầu bò biến dạng.
- Độ bền nhiệt : được thể hiện ở khả năng chòu đựng của vật liệu
không bò hư hại khi có sự biến đổi đột ngột của nhiệt độ.
- Tính trung tính hoá học : để không làm hư hại sản phẩm nung trong
lò do các tác động ăn mòn hóa học.

2


- Tính dẫn điện thấp : thông thường vật liệu chòu lửa trong các lò
điện phải đồng thời là vật liệu cách điện để có thể lắp đặt các phần
tử điện trở đốt nóng bên trong.
- Tính dẫn nhiệt thấp : Để có giảm tổn hao nhiệt bên trong thành lò
mà không cần phải cấu tạo thành lò quá dày.
Các loại gạch chòu lửa sau đây có khả năng đảm bảo được hầu hết
các yêu cầu nêu ra ở trên : gạch chòu lửa chế tạo từ đất sét có chứa SiO 2
(20000K), chứa Al2O3 (23000K), chứa MgO (26000K), gạch samôt (20000K)
Đối với các lò nấu chảy các vật liệu và hợp kim khó nóng chảy phải
sử dụng các vật liệu chòu lửa quý hiếm như ZrO 2 (28000K), BeO (28700K),
ThO2 (33000K), …
Trong những năm gần đây, người ta thường sử dụng các vật liệu chòu

lửa dạng tấm, miếng ép từ sợi nhân tạo vì có thể rút ngắn được thời gian
và công lao động khoảng 10% so với vật liệu cổ điển. Vật liệu sợi chòu lửa
bao gồm : SiO2 – ZrO2, SiO2 – BeO, SiO2 – ThO2, Al2O3 – SiO2, chúng có
thể chòu đựng được nhiệt độ từ 13000K – 18000K.
2. Vật liệu cách nhiệt :
Chúng cần phải có hệ số dẫn nhiệt thấp và chòu lửa tương đối tốt.
Các vật liệu cách nhiệt thường có dạng xốp, nhẹ hoặc là các sản phẩm có
nhiều lỗ bọng hoặc ở dạng tấm ép tự hạt có kích thước tương đối lớn. Các
vật liệu cách nhiệt thường gặp là diatomit, bông thủy tinh, thủy tinh bọt
hoặc hổ phách.
3. Vật liệu chòu nhiệt :
Là các vật liệu có độ bền cơ cao ở điều kiện nhiệt độ cao. Chúng
phải bền vững đối với các phản ứng hoá học xảy ra trong điều kiện nhiệt
độ cao. Các vật liệu chòu nhiệt thường có cơ sở là sắt cộng thêm một số
chất phụ đặc biệt khi luyện. Các chất phụ có thể là chrome, nhôm, nickel,
…, chúng có tác dụng làm cho hợp kim chòu đựng được tác động ăn mòn
hóa học ở điều kiện nhiệt độ cao.
Thép chrome – nickel với thành phần chrome chiếm khoảng 18% và
nickel 9% được dùng trong các lò điện nhiệt có nhiệt độ làm việc đạt
11000K, khi tăng tỷ lệ nickel lên 20 – 25% có thể làm tăng khả năng chòu
nhiệt của hợp kim lên đến 13000K.

3


Đối với các lò điện nhiệt độ cao, các vật liệu chòu nhiệt được dùng
là : molibden, wolfram. Chúng có thể làm việc ở trong môi trường khí bảo
vệ như argon, nitrogen, hydrogen, …

4

CHƯƠNG 2
CÁC THIẾT BỊ ĐỐT NÓNG
BẰNG ĐIỆN TRỞ
-----oOo----2.1.

BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐIỆN TRỞ:

Dòng điện là sự chuyển động có hướng của điện tích dương và âm dưới
tác động của điện trường. Trong các vật chất có cấu trúc mạng nguyên tử (kim
loại và các chất rắn khác), dòng điện là dòng chuyển động của các electrons tự
do về phía dương cực (anode), nó cũng có thể là dòng chuyển động của các
electrons trong chân không (các electrons này được phát xạ từ điện cực, từ kim
loại hoặc từ các vật liệu khác đặt trong điện trường). Các vật chất dẫn điện nhờ
sự chuyển động của các electrons được gọi là các vật chất dẫn điện loại 1. Các
môi trường dẫn, trong đó dòng điện được tạo ra nhờ sự chuyển động của các ion
dương và âm được gọi là các vật chất dẫn điện loại 2 (chất điện phân, các dung
dòch hoá học, …). Plasma có tính dẫn điện hỗn hợp.
Trong các vật chất có cấu trúc mạng nguyên tử, số lượng các electrons tự
do chuyển động hỗn loạn bên trong mạng rất lớn, ví dụ đối với đồng có thể lên
tới 1029/m3.
Theo lý thuyết thì mạng tinh thể kim loại không hề cản trở gì đối với dòng
chuyển động electrons (dòng điện), vì vậy có thể nói độ dẫn điện của kim loại là
vô cùng lớn. Nhưng trên thực tế, do sự tác động của nhiều yếu tố khác nhau như
nhiệt độ, từ trường, điện trường, … mạng tinh thể kim loại dao động và gây cản
trở dòng chuyển động electrons. Điều này lý giải tại sao điện trở của kim loại lại
phụ thuộc vào nhiệt độ và ở nhiệt độ rất thấp có thể tạo ra chất siêu dẫn.
Quan hệ giữa mật độ dòng điện, cường độ điện trường và độ dẫn điện của
vật thể được xác đònh nhờ đònh luật Ohm. Ở dạng tổng quát có thể viết :

J = (ne eo µe + ni eo µi ) E

(1.1)

Trong đó :
j

: mật độ dòng điện, A/cm2.

ne, nI : mật độ điện tích electrons và ion, 1/cm3
µe, µi : độ chuyển động của các electrons và ion ở điện trường
E = 1 (v/cm)
e0-

: điện tích electron.

5


Trong các kim loại, dòng điện sinh ra chủ yếu nhờ dòng chuyển động của
các electrons, vì vậy (1.1) có thể viết lại như sau :
j = ne eo µe . E
(1.2)
Từ (1.2) suy ra :
σ = ne eo µe
(1.3)
Trong đó :
σ là độ dẫn điện, phụ thuộc vào mật độ điện tích n e cũng như vào dạng và
trạng thái của kim loại µe.
từ :

j=σ.E
(1.4)
Giá trò nghòch đảo của điện dẫn σ :
1 / σ = ρ : chính là điện trở suất của các vật liệu.
Điện trở suất ρ phụ thuộc vào nhiệt độ theo quan hệ sau đây :
ρT = ρ20 [ 1 + α (T – T20) ] (1.5)
với ρ20 : điện trở suất của vật liệu ở 200C (2930K)
α : hệ số nhiệt điện trở của vật liệu, 1/0C, T20 = 2930K
Tốc độ chuyển động của electrons trong điện trường E phụ thuộc vào hiệu
điện thế U giữa 2 điện cực.

ve = 5,93.10 5 u

(1.6)

Ví dụ :
U = 40 KV, ve = 118,6 . 103 (km/s).
Khi đó, electron đạt động năng.
We = e0 . U (eV)
(1.7)
Khi va đập với nguyên tử của mạng tinh thể, electron trao năng lượng của
mình cho nguyên tử và làm cho kim loại bò nóng lên. Nhiệt lượng sinh ra do
dòng điện I chảy trong vật dẫn điện được biểu diễn :
Q = I2 R. t
(1.8)
Với : I
: dòng điện,
A, R : điện trở, Ω
t
: thời gian dòng điện chảy qua, s.

Công suất nhiệt có thể biểu diễn như sau :

Ở đây,

2.2.

U2
U2
P=
=
R
ρ .l / s

l : chiều dài vật dẫn m.
s : tiết diện vật dẫn, m2
P : công suất, W.

CÁC PHẦN TỬ ĐIỆN TRỞ ĐỐT NÓNG :

6


Việc lựa chọn vật liệu và kết cấu của phần tử đốt nóng được xác đònh bởi
các đặc điểm của quá trình công nghệ và kết cấu thiết bò.
Phần tử đốt nóng cần phải có các đặc điểm sau : điện trở suất lớn, hệ số
nhiệt điện trở α nhỏ và phải có tuổi thọ cao. Có thể phân chúng thành 3 nhóm
theo nhiệt độ làm việc như sau :
1. Nhiệt độ thấp : 500 – 7000K, trao đổi nhiệt chủ yếu bằng phương pháp
đối lưu.
2. Nhiệt độ làm việc trung bình, tư ø 900 – 1.300 0K, trao đổi nhiệt bằng

đối lưu, trao đổi nhiệt và bức xạ nhiệt.
3. Nhiệt độ làm việc cao từ 1.500 – 2.300 0K, chủ yếu truyền nhiệt bằng
bức xạ.
Để chế tạo các phần tử đốt nóng có nhiệt độ làm việc đến 1500 0K, người
ta thường sử dụng các vật liệu : Nicrome (hợp kim nickel, chrome), hợp kim
chrome và nhôm cũng như hợp kim thép chòu nhiệt chrome – nickel.
Nicrome với thành phần 75 – 78% nickel và khoảng 25% chrome, khi
tăng thành phần nickel trong hợp kim sẽ làm tăng khả năng nhiệt độ của nó. Bổ
sung thêm titan sẽ làm tăng độ bền cơ của hợp kim.
Hợp kim nicrome với 22 – 27% crome và 17 – 20% nickel được dùng để
chế tạo các phần tử đốt nóng có nhiệt độ làm việc đến 11000K.
Hợp kim của thép, chrome (13%) và nhôm (đến 4%) cũng được dùng làm
phần tử đốt nóng làm việc ở nhiệt độ 11000K.
Hợp kim có chứa 20 – 27% chrome và một lượng nhỏ các chất phụ khác
như titan, bore … có khả năng làm việc ở nhiệt độ đến 1470 – 16200K.
Các hợp kim trên được sử dụng làm phần tử đốt nóng dạng hở hoặc bảo
vệ. Ở dạng thứ nhất kết cấu phần tử đốt nóng tươnng đối cứng và được chế tạo
từ dây hoặc băng có tiết diện lớn. Phần tử dạng hở được lắp đặt trong các lò và
dụng cụ đun nấu gia đình, chúng có hình dạng ziczăc hoặc xoắn lò xo.
Để đun nấu chất lỏng hoặc đốt nóng chất khí trong một vài quá trình công
nghệ, có thể sử dụng các phần tử dạng ống được làm từ vật liệu thép gốm xốp
có các lỗ nhỏ li ti kích thước khoảng 40 - 80µm để bảo đảm cho chất lỏng hoặc
chất khí thấm được qua thành của nó. Suất tải nhiệt của phần tử loại này là vào
khoảng 1KW/cm2 với nhiệt độ làm việc là khoảng 400 – 600 0K. Điện áp đặt trên
một phần tử có thể từ 1 – 12V.
Khi đốt nóng ở nhiệt độ thấp có thể sử dụng rộngrãi phần tử đốt nóng
dạng ống được mô tả trong (H.2.1).

7

Chất độn trong ống thường sử dụng Periclaz (MgO) nấu chảy. Công suất
ống có thể từ 100W đến 15KW, điện áp làm việc từ 36 - 380V, nhiệt độ làm
việc từ 400 – 10000K. Tuổi thọ trung bình của ống từ 10.000 đến 40.000 giờ.
Đối với các lò nhiệt độ cao tới 17000K thường sử dụng các phần tử đốt
nóng chế tạo từ carbonrundum (SiC) dạng thanh, đường kính 6 – 30mm, với
chiều dài khác nhau.
Phần tử đốt nóng làm từ silic milibden (MoSi 2) có thể làm việc ở nhiệt độ
2000 K trong môi trường oxygen.
0

MoSi2 được chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột. Trong môi trường
oxygen ở nhiệt độ cao hơn 13000K trên bề mặt phần tử đốt nóng được phủ một
lớp bảo vệ SiO2. Ở nhiệt độ từ 20000K trở lên lớp bảo vệ cũ bò phá hủy và tự
hình thành lớp bảo vệ mới, kết quả là tiết diện của phần tử bò giảm dẫn đến điện
trở tăng lên. Vì vậy, ở nhiệt độ trên 2000 0K không nên dùng phần tử đốt nóng
loại này. Ở nhiệt độ đến 23000K phần tử đốt nóng được làm từ kim loại gốm. Ví
dụ : oxyde Ziriconi có chứa 4% oxyde canxium hoặc 6% oxyde itria. Trong các
lò điện nhiệt độ cao (từ 23000K trở lên). Các phần tử đốt nóng được làm từ vật
liệu khó nóng chảy như than chì (graphite), hoặc các kim loại khó nấu chảy như
moliloden, tantal, wolfram, chúng được sử dụng chủ yếu trong môi trường khí trơ
như argon, helium, hydrogen, nitrogen cũng như trong chân không.
2.3.

CÁC LÒ ĐIỆN TRỞ :

Lò điện trở được sử dụng nhiều trong các công nghệ chế tạo maý, luyện
kim, trong công nghiệp nhẹ, công nghiệp hoá chất, trong xây dựng và nông
nghiệp. Sự đa dạng của các quá trình công nghệ cũng như việc sử dụng các vật
liệu đa dạng dẫn đến sự đa dạng của kết cấu lò điện trở. Nhiều quá trình công

nghệ khác nhau đòi hỏi phải thực hiện trong điều kiện chân không hoặc khí bảo

8


vệ dẫn đến sự cần thiết phải có lò điện trở. Lò điện trở được phân thành 2 loại
chính là lò nung và lò nấu chảy.
1. Lò nung điện trở :
Chúng được chế tạo theo 2 nguyên tắc :
-

Lò nung tác động gián tiếp : năng lượng điện được chuyển hoá thành
nhiệt nhờ các phần tử đốt nóng đặc biệt, sau đó được truyền vào không
gian công tác nhờ dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Trong các lò nung tác
động trực tiếp.

-

Lò nung tác động trực tiếp : vật thể cần được nung nóng được đấu trực
tiếp vào mạch điện.

Tuỳ theo mức độ nhiệt đạt được có thể phân thành : lò nung nhiệt độ thấp
(900 – 10000K), nhiệt độ trung bình (1000 – 16000K), và lò nung nhiệt độ cao
(cao hơn 16000K).
Theo chế độ làm việc có thể phân thành lò hoạt động liên tục hay theo
chu kỳ.
Các lò hoạt động theo chu kỳ, tuỳ theo quá trình công nghệ khác nhau có
thể phân thành : lò buồng đốt, lò đứng, lò chụp, lò nâng, lò băng truyền, lò lăng
lăn, lò quay (H.2.2).
Như vậy, các lò hoạt động theo chu kỳ có thể phận biệt với nhau bởi

phương pháp và hệ thống cơ cấu truyền động, bởi vò trí lắp đặt sợi đốt trong
buồng lò. Kích thước và công suất lò được xác đònh bởi năng suất cần thiết, bởi
nhiệt độ và đặc tính nhiệt lý của vật liệu.

Hình 2.2A.
a) Lò chụp, b) Lò nâng, c) Lò đứng
d) Lò buồng khí đốt, e) Lò băng truyền.
9


Trong các lò có điều khiển áp suất, thường sử dụng khí trơ hoặc hỗn hợp
khí đặc biệt. Chúng có công dụng tốt đối với việc xử lý bề mặt sản phẩm : nitơ
hoá, hoá cứng bề mặt, … làm cho sản phẩm có độ cứng cao hơn và tăng cường độ
bền sản phẩm. Cũng có một vài loại lò sử dụng môi trường hydrogen trong các
quá trình công nghệ khác nhau để phục hồi kim loại đã bò oxy hoá và ủ kim loại
quý hiếm (wolfram, milibden …)
2.

Lò nấu chảy kim loại dùng điện trở :

Dùng để nấu chảy các kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp như : chì, kẽm
và một vài hợp kim của chúng (600 – 800 0K). Đặc biệt là lò điện trở dùng để
nấu nhôm và hợp kim nhôm, cho phép đạt được độ tinh khiết cao. Chúng có ưu
điểm là kết cấu đơn giản, cấp nhiệt đơn giản và quá trình công nghệ đơn giản.

Lò nấu chảy kim loại dùng điện trở có thể phân chia thành hai dạng: dạng
nồi và dạng buồng.
a. Lò dạng nồi : có hình dạng là một nồi bằng gang (H.2.3) được đặt bên
trong vỏ hình trụ, các chỗ trống được nhồi các vật liệu cách nhiệt. Suất
chi phí năng lượng của nồi nấu nhôm là 700 – 750 KWh/tấn. Hiệu suất

vào khoảng 50- 55%.
10


b. Lò dạng buồng : thường có thể tích lớn hơn lò dạng nồi, sử dụng để
nấu và đúc nhôm. Lò loại này có suất chi phí năng lượng vào khoảng
600 – 650 KWh/tấn, hiệu suất 60- 65%, t0 : 800 – 8500K.

2.4.

TRANG BỊ ĐIỆN VÀ ĐIỀU CHỈNH THÔNG SỐ LÒ ĐIỆN TRỞ

Công suất lò điện trở hiện đại thường dao động từ nhỏ hơn 1KW đến một
vài MW. Các loại lò có công suất lớn hơn 20KW thưởng sử dụng điện 3 pha với
điện áp : 220; 380; 660V. Hệ số công suất cosϕ = 1, đôi khi phải sử dụng máy
biến áp lò.
Trang bò điện trong hệ thống lò điện trở thường chia thành : thiết bò điện
động lực, các khí cụ điện điều khiển, đo lường và đo nhiệt độ cao.
Trang bò điện động lực bao gồm : máy biến áp lò hoặc máy biến áp tự
ngẫu và hệ thống cấp nguồn cho các cơ cấu truyền động, hệ thống đóng ngắt
động lực và các khí cụ điện bảo vệ khác nhau như: contactor, khởi động từ,
aptomat, cầu chảy.
Toàn bộ các lò điện trở dùng trong công nghiệp đều được trang bò hệ
thống điều chỉnh nhiệt độ tự động, cho phép tự điều chỉnh công suất lò và cấp
nhiệt theo yêu cầu.

11


Phần lớn lò điện trở sử dụng điện áp lưới điện mà không cần trang bò máy

biến áp lò. Tuy nhiên việc sử dụng máy biến áp lò (giảm áp) cho phép tăng
dòng điện qua phần tử đốt nóng, vì vậy chúng có tiết diện lớn dẫn đến độ bền và
độ tin cậy được nâng cao.
Nhiệt độ lò được điều chỉnh bằng cách thay đổi công suất. Điều chỉnh
công suất có thể thực hiện bằng các biện pháp như sau : đóng – cắt nguồn theo
chu kỳ, đổi nối sao – tam giác, đổi nối phần tử đốt nóng nối tiếp – song song.

Hình 2.4 : Biểu diễn sơ đồ mạch điện và đồ thò quan hệ giữa nhiệt độ lò
và thời gian t ở phương pháp điều chỉnh nhiệt độ theo chu kỳ đóng cắt nguồn.
Ngoài ra, việc điều chỉnh công suất lò còn các biện pháp sau đây :
1. Sử dụng biến áp điều chỉnh nhuyễn dòng điện qua phần tử đốt nóng.
2. Đóng phụ thêm vào mạch của các phần tử đốt nóng các phần tử phụ
(cuộn kháng, biến trở …)
3. Điều chỉnh dạng xung dòng điện qua phần tử đốt nóng (sử dụng
thyristors).
Điều chỉnh dòng điện qua thyristors có thể thực hiện theo các biện pháp sau :
1. Điều chỉnh pha (tần số điều chỉnh fđc = 2 f nguồn) (H.2.5a)
2. Điều chỉnh với tần số cao (H.2.5b)
3. Điều chỉnh dòng điện với tần số thấp (H.2.5c)

12


Hình 2.5.
2.5.

CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN XỈ :

Đặc điểm cơ bản của phương pháp đốt nóng điện xỉ là sự chuyển hoá quá
trình đót nóng nhờ hồ quang sang quá trình đốt nóng không có hồ quang. Ở đây

nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy kim loại nhận được nhờ đòng điện chảy
qua lớp xỉ đặc biệt và nung nóng nó lên đến 2000 – 3000 0K. về cơ bản lò điện xỉ
có cấu tạo như trong (H.2.6).

Ở đây, dòng điện được cung cấp bởi máy biến áp, chảy qua điện cực 1
ngập trong lớp xỉ 2 và đáy lò 4. Lớp xỉ có điện trở lớn bò đốt nóng nhanh chóng
theo luật jun.
Đầu điện cực nóng chảy, nhỏ giọt kim loại luồn láchqua lớp xỉ nóng nhờ
đó chúng được tiếp tục đốt nóng và làm sạch các tạp chất.cuối cùng kim loại
nóng chảy đọng lại dưới đáy lò dưới dạng thỏi kim loại kết tinh 5. Xung quanh
thỏi kim loại và thành lò hình thành một lớp xỉ than do các tạp chất bò đốt cháy.

13


Các yếu tố cơ bản xác đònh các ưu điểm của phương pháp xử lý kim loại
trong lò điện xỉ là :
1. Sự tác động hoá học giữa giọt kim loại nóng chảy và lớp xỉ trong lò.
2. Đònh hình thỏi kim loại đúc ngay trong lò.
3. Tạo ra những thỏi kim loại chất lượng cao như : thép làm vòng bi,
thép không rỉ, thép chòu nhiệt …
Chế độ dòng điện trong lò điện xỉ được đặc trưng bằng dòng điện xung
đập mạch có liên quan tới việc tạo giọt kim loại nóng chảy trong lò và khoảng
cách điện cực luôn thay đổi.
Phụ thuộc vào hình dáng và khối lượng của thỏi kim loại đúc (tròn, chữ
nhật, vuông, hình ống, …) lò điện xỉ có các kết cấu và các thông số khác nhau.
Tuỳ theo khối lượng kim loại đúc, cùng một lúc trong một buồng lò có thể
có tới 2, 3 điện cực hoặc nhiều hơn.
Đối với phần lớn lò điện xỉ, hệ số lấp đầy buồng lò là vào khoảng từ 0,2
đến 0,65 và tăng lên khi khối lượng thỏi đúc lớn.

Một vài thông số lò điện xỉ được trình bày trong bảng 2.1.
Bảng 2.1.
Thông số

ESP2,58G

ESP10G

ESP20G

Công suất nguồn KVA

1600

2500

5000

Dòng điện cực đại A

21000

28000

50000

Để thực hiện công nghệ điện xỉ, cần có các hệ thống truyền động sau :
1. Di chuyển liên tục hoặc theo chu kỳ các điện cực bên trong lớp xỉ.
2. Hệ thống lấy thỏi kim loại đúc từ bên buồng kết tinh.
3. Đáy lò có nhiệm vụ làm mát bề mặt thỏi đúc, đôi khi có nhiệm vụ dẫn

dòng điện qua lò. Nó được chế tạo từ đồng tấm gắn vào tiếp điểm để
đóng cắt dòng điện.
Bảng 2.2 : Cho thấy một sốtíh chất hóa lý của các chất xỉ thường được sử
dụng.

14


Bảng 2.2
CaF2

Al2O3

CaO

MgO

Nhiệt độ nóng
chảy 0C

AHφ-1Π

95

-

5

-

1300 – 1400

0,0015-0,002

AHφ-6

70

30

-

-

1320 – 1340

0,003-0,0035

AH-291

18

40

25

17

1450

0,0037-0,004

Mã hiệu

Thành phần hoá học %

Điện trở suất
Ωhm

Hàn điện xỉ.
Phương pháp hàn điện xỉ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để nối
các kim loại có bề dày lớn (thép, gang, đồng, nhôm, titan và các hợp kim của
chúng).
Điện cực 3 và 2 phần vật hàn 1 được nối vào nguồn điện xoay chiều qua
lớp xỉ 2. Khi có dòng điện chảy qua điện cực nóng chảy, nhờ giọt kim loại đã
được xử lý qua lớp xỉ nóng và đọng vào chậu 5 làm đầy phần không gian giữa 2
chi tiết kim loại cần hàn.
Công suất hàn điện xỉ và từ khoảng 60 – 550KVA. Điện áp thứ cấp máy
biến áp là từ 8 – 63V.

15


VÍ DỤ TÍNH TOÁN :
Ví dụ 2.1.
Một lò điện nhiệt được trang bò ba phần tử điện trở đốt nóng giống nhau
được chế tạo từ vật liệu nickel – chrome và nối với nhau theo sơ đồ hình tam
giác. Lò điện nhiệt có công suất là 12KW ở nhiệt độ làm việc bằng 1200 0C. Dây
điện trở được quấn thành ống lò xo có đường kính D tb bằng 6 lần đường kính của
dây điện trở d và có bước lò xo bằng 3 lần đường kính của dây điện trở d. Nguồn

điện cung cấp cho lò điện nhiệt là 3 pha, 380V. Hãy xác đònh :
1. Đường kính d và chiều dài của dây điện trở 1 để tạo ra một phần tử
điện trở đốt nóng.
2. Đường kính ngoài D và chiều dài mỗi ống lò xo. Biết điện trở suất của
vật liệu nickel – chrome ở tại nhiệt độ làm việc ρ = 1,17.106Ωm. Công
suất toả nhiệt bề mặt của phần tử là ϕ = 20KW/m2.
Giải :
1. Đường kính và chiều dài của dây điện trở d, l :
Công suất tỏa nhiệt của phần tử điện trở đốt nóng :
12
= 4( KW )
3
U2
P=
R
P=

Mặt khác :

(1)

Với R là điện trở của phần tử.
R = ρ.

l
q

p là tiết diện của dây điện trở.
4.l
π .d 2

πd 2 .U 2
P=
4 ρ .l
R = ρ.

Thay (2) vào (1) :

(2)
(3)

Công suất tỏa nhiệt bề mặt dây điện trở :
ϕ=

Từ đó :

l=

P
P
=
S bm πd .l

P
πdϕ

(4)
(5)

Thay (5) vào biểu thức (2) ta được :
πd 2 .V 2 πdϕ π 2U 2 d 2ϕ

P=
.
=
(6)
4ρ
P
ρ .P
Từ đó rút ra được :
4 ρ .P 2
4.1,17.10 −6 (4000) 2
3
3
d=
=
= 1,38.10 −3 (m)
2 2
2
2
3
π U ϕ
π .(380) .20.10
l=

4000
= 46,13(m)
π .1,38.10 −3.20.10 3

16

2. Đường kính và chiều dài ống lò xo :
Đường kính trung bình của một vòng :
Dtb = 6 . d
Đường kính ngoài của phần tử :
D = Dtb + d = 7d = 7 . 1,38. 10-3 = 9,7 (mm)
Số vòng dây lò xo N:

N=

l
46,13
=
= 1677(vong )
l0 27,5.10 −3

Với l0 : chiều dài một vòng dây.
Từ (H.V.2.1) ta có :

l0
l0
l0

πDtb + π Dtb2 + f 2
=
2
π .6.d + π 36d 2 + 9d 2 g
=
2
= 3πd + 3,35πd = 6,35πd
= 6,35.3,1416.1,38.10 −3 = 27,5.10 −3 ( m)

Chiều dài ống lò xo L :

L = N. f +

d d
+ = 1677.3.1,38.10 −3 + 1,38.10 −3 = 7( m)
2 2

Ví dụ 2.2.
Một lò điện nhiệt được trang bò ba phần tử đốt nóng giống nhau làm từ vật
liệu hợp kim fer-chrome-aluminium, nối với nhau theo sơ đồ hình tam giác. Lò

17


có công suất 81Kw ở nhiệt độ làm việc. Để tăng tuổi thọ của chúng ở nhiệt độ
làm việc được giới hạn ở 10500C.
Chúng có mật độ nhiệt thông bề mặt là ϕ = 1w/cm2. Lò được cung cấp bởi
nguồn điện 3 pha, 380V. Hãy xác đònh đường kính và chiều dài cần cho một
phần tử d và l. Biết điện trở suất của hợp kim ở 20 0C là ρ = 1,45.10-6Ωm, hệ số
nhiệt điện trở :
α = 40 . 10-6 (1/0C).
Giải :
Công suất tỏa nhiệt của một phần tử :

P=

81000
= 27000(W )

3

Điện trở suất ở 10500C là :

ρ1050 = ρ 00 C (1 + α .1050)
Với :
Từ đó :

ρ 00 C

1,45.10 −6
=
1 + α .20

ρ1050

1 + 40.10 −6.1050
= 1,45.10
= 1,51.10 −6 (Ωm)
−6
1 + 40.10 .20
−6

Suất nhiệt thông trên bề mặt vật thể là ϕ = 1w/cm2 hoặc : 1. 104 w/m2
Đường kính d được xác đònh theo công thức ở ví dụ 2.1 :

4 ρP 2
4.1,51.10 −6.( 27000) 2
3
d=

=
= 6,76.10 −3 (m)
2 2
2
2
π U ϕ
π .(380) .10000
3

Chiều dài dây dẫn cho một phần tử :

l=

P
27000
=
= 127,4(m)
π .d .ϕ π .6,76.10 −3.10000

Ví dụ 2.3.
Một phần tử đốt nóng có chiều dài L = 1,5m được đặt nằm ngang trong
không khí có nhiệt độ θ0 = 200C. Nhiệt độ bề mặt ngoài của phần tử là 800 0C.
Phần tử có cấu tạo hình ống làm từ hợp kim nickel – chrome 80/20 và có đường
kính ngoài Dn = 12,5mm, bề dày e = 1mm. Bên trong ống chứa periclaz (MgO)
trong đó có đặt sợi đốt đường kính d được quấn thành hình ống lò xo có đường
kính DL = 7,5mm. Hãy xác đònh :
1. Nhiệt không do phần tử đốt nóng sinh ra ΦT.
2. Sự phân bổ nhiệt bên trong phần tử.
3. Đường kính d và chiều dài l của sợi đốt sao cho nhiệt thông bề mặt của
nó là ϕ = 7ω/cm2.

Các số liệu :
Hệ số dẫn nhiệt :
λô = 12 w/(m.0K), λMg = 7,6 w/(m.0K)
18


không khí ở 4100C có : λKKâ = 0,05214 w/(m.0K)
Hệ số truyền nhiệt đối lưu :

K = C4 =

θn −θ0
Dn

C = 0,43λKK

g
v .Ttb
2
a

Với :
θn : nhiệt độ bề mặt ngoài của ống – 8000C
θ0 : nhiệt độ của môi trường – 200C
Dn : đường kính ngoài ống phần tử – 12,5mm
λKK : hệ số dẫn nhiệt không khí ở nhiệt độ trung bình giữa bề mặt
ống và không khí là :

800 + 20
λ

=
= 410m/s
( 0 C2 )
g – gia tốc trọKKng trường – 9,8067
2
2

va – lưu lượng khí – 64,132 mm /s
Ttb – nhiệt độ trung bình giữa không khí và bề mặt ống tính theo 0K
Ttb = 410 + 273 = 683 (0K)
Hệ số truyền nhiệt bức xạ :

T − T0
Với ε - hệ số phản xạ
K b = εσ . n
từ bề mặt ngoài của phần tử,
Tn − T0
ε = 0,86.
σ = 5,67 . 10-8 w/(m2oK)
hằng số stefan.
Tn - nhiệt độ bề mặt
ngoài ống phần tử tính theo.
0
K Tn –10730K
T0 - nhiệt độ môi trường
tính theo 0K –2930K.
4

4

Hình V.2.3
Điện trở suất sợi đốt ρ = 1,14 . 10-6 Ωm, điện áp nguồn U = 220V.
Giải :
1. Nhiệt thông do phần tử cung cấp :
Công thức Newton có dạng : ΦT = KT . S (θn - θ0)
Trong đó :
KT = Kđ + Kb – hệ số tỏa nhiệt (w/(m2 . oK)
θn - nhiệt độ bề mặt ngoài phần tử – 8000C
θ0 - nhiệt độ không khí xung quanh – 200C
19


S - bề mặt tỏa nhiệt
Tính KT :

Kd = C 4

800 − 20
12,5.10 −3

C = 0,43.λK 4

g
9,8067.106
=4
= 0,969
va2 .Ttb
(64,132) 2 .683

K d = 0,969.4

780
= 15,32( w /(m 2o K ))
−3
12,5.10

K b = 0,86.5,67.10 −8

(1073) 4 .(293) 4
= 82,41( w /( m 2 .o K ))
1073 − 293

Từ đó : KT = 15,32 + 82,41 = 97,73 (w/(m2 . oK).
Nhiệt thông :
ΦT = 97,73. 58,9 . 10-3 (800 – 20) = 4490 (W)
2. Phân bố bên trong phần tử đốt nóng có thể phân chia thành 3 khu vực :
- Khu vực trong bề dày thành ống.
- Khu vực từ bên trong thành ống đến sợi đốt.
- Khu vực bên trong sợi đốt.
Khu vực trong bề dày thành ống :
p dụng đònh luật Fourier cho ống trụ có bán kính rvà b dày dr, dài L, ta
có công thức :
Từ đó :

ΦT = −λ 2πrL

dθ
dr

Φ

4490Dn
10,5
θ t −θθLn ==807 +T ln
ln
= 828( 0 C )
2πλo2.L
.3,14.D
7,n6.−152e 7,5
Nhiệt độ bề mặt trong của ống phần tử :
dθ D
Φ T = −λΦ
2πTr.L
n
θt = θn +
ln
dr

2πλo .L

Dn − 2e

4490
12,5.10−3
= 800 +
ln
= 807( o C )
−3
2.3,14.12.1,5 10,5.010
dθ

=0
θ = θ L = 828( C )
dr thành ống cho tới sợi đốt :
Khu vực từ bề mặt trong

θ L −θt =
d =3

ΦT
D − 2e
ln n
2π .λMgO .L
DL
4.1,14.10 −6 (4490) 2
π 2 .(220) 2 .7.10 4
20

l=

4490
= 15,58(m)
π .1,4.10 −3.7.10 4


Nhiệt độ bên trong lò xo sợi đốt :

Vì ΦT truyền theo hướng kính từ sợi đốt ra bên ngoài thành ống phần tử,
nên ở khu vực này có thể xem ΦT = 0, vì vậy :

3. Đường kính d và chiều dài l của dây điện trở :

p dụng các công thức đã biết:

Ví dụ 2.4.
Để đun nóng một chất lỏng, người ta sử dụng các phần tử đốt nóng làm từ
cách điện khoáng chất có các đặc tính sau :
- Đường kính ngoài dn = 2,5mm
- Điện trở trên đơn vò dài ở nhiệt độ làm việc r = 10Ω/m
- Công suất bề mặt cực đại: ϕ0 = 400KW/m2
- Điện áp nguồn U = 280V
- Công suất cần thiết để đun nóng P = 6 KW.
Hãy xác đònh :
1. Chiều dài tối thiểu của một phần tử lmin.
2. Số lượng phần tử nối song song N.
3. Chiều dài mỗi phần tử l.
Giải :
1. Chiều dài tối thiểu của một phần tử lmin.
Công suất tỏa nhiệt :
U2 U2
P=
=
R
rl
Công suất tỏa nhiệt bể mặt :
P
P
ϕ= =
S π .d n l

(1)

( 2)

21


Thay (1) vào (2) ta được :
U2
ϕ= 2
πl r.d n
Công suất này phải nhỏ hơn giá trò cữc đại ϕ0, từ đó :

U2
πl 2 r.d n

< ϕ0

U2
πl 2 r.d n

Hay :

l2 >

Từ đó :

lmin =
lmin =

(3)

< ϕ0

U
π .r.d nϕ0

( 4)
230

π .10.2,5.10 −3.400.103

= 1,30( m)

2. Số lượng phần từ nối song song N :
Công suất Pmin tỏa ra từ một phần tử có chiều dài lmin là :

U2
( 230) 2
Pmin =
=
= 4069(W )
r.lmin
10.1,3
Từ đó lượng phần tử nối song song N :
N =

P
5000
=
= 1,23
Pmin

4069

Có thể đặt : N = 2
3. Chiều dài của một phần tử l :
Công suất tỏa nhiệt từ một phần tử :

PT =
Mặt khác :

P 5000
=
= 2500(W )
N
2

U2
Suy ra :
PT =
r.l
U2
( 230) 2
l=
=
= 2,116m
r.PT 10.2500
Vậy :

l = 2,12 (m)

Ví dụ 2.5.

22


Để tinh luyện các thỏi thép và hình thành thỏi đúc hình trụ, người ta thực
hiện trong lò luyện đặc biệt. Các thỏi thép có đường kính d r = 150mm và dài
l1 = 5m (thỏi điện cực). Các thỏi thép đúc hình trụ có đường kính d 2 = 400mm và
dài l2 = 10m. Lò tinh luyện được làm mát bằng nước có đường kính trong d c =
0,46m, thành lò được chế tạo từ vật liệu đồng có hệ số dẫn nhiệt λcu = 395W
(m.oK) và dày e = 2cm, bò bao phủ bởi xỉ đông cứng có bề dày exi = 3cm và có
hệ số dẫn nhiệt : λxi = 1,2 (W/oK.m).
Đáy lò tinh luyện có thể tháp ráp dễ dàng. Chậu kim loại nóng chảy có
chiều cao h = 0,90m và có nhiệt độ θnc = 17500C. Nó được bao phủ bởi một lớp xỉ
mỏng ở trạng thái chảy lỏng có nhiệt độ là 1750 0C và có hệ số phản xạ
ε=
0
0,28. Nhiệt độ trung bình của nước trong bể kết tinh là θH2O = 50 C, nhiệt độ của
môi trường là θ0 = 270C.
Xác đònh :
1. Số lượng thỏi kim loại cần thiết để hình thành một khối đúc hình trụ
và khối lượng của nó.
2. Công suất cần thiết để sản xuất các thỏi kim loại đúc khi tốc độ là
5cm/phút.
3. Công suất lắp đặt điện nếu cho rằng hiệu suất của thiết bò là η = 95%
Các số liệu : bỏ qua tổn hao nhiệt khi đưa thỏi kim loại vào và lấy thỏi
đúc ra khỏi lò tinh luyện.
Thép :
Khối lượng riêng
: γ = 7958 Kg/m3
Tỷ nhiệt
: CT = 0,1325 Wh (KgoK)

Nhiệt ẩn
: L = 50 Wh/Kg
Hệ số truyền nhiệt :
Chậu kim loại nóng chảy – xỉ
: Kx = 1000 w /(m2 .oK)
Thành lò – nước làm mát
: KH = 2000 w /(m2.oK)
Hằng số Stefan
: σ = 5,67.10-8 w /(m2.oK)
Giải :
1. Số lượng thỏi điện cực để tạo thành thỏi đúc.
Thể tích một điện cực :

π .d I2 l1 π (0,15) 2
V1 =
=
.5 = 0,088(m 3 )
4
4
Thể tích thỏi đúc :

π .d 22 l 2 π (0,4) 2
V =
=
.10 = 1,257(m 3 )
Số lượng thỏi điện2 cực. 4
4
23

N=

V2 1,257
=
= 14,3
V1 0,088

Khối lượng thỏi đùúc :

m2 = γ .V2 = 7958.1,257 = 10.000(kg )
2. Công suất cần thiết :
Thời gian cần thiết để tạo một thỏi đúc :
Thời gian cần thiết để nhận được khối hình trụ 10m với vận tốc
V = 5cm/phút là : t =

10
= 200 phut
0,05

Tính tổng năng lượng, bao gồm :
- Năng lượng cần thiết để nấu chảy E1.
- Năng lượng nhiệt truyền ra nước làm mát E2.
- Năng lượng nhiệt bức xạ từ bề mặt chậu kim loại nóng chảy E 3.
1. Năng lượng cần thiết để nấu chảy E1 bao gồm :
Năng lượng cần thiết để đốt nóng thép từ nhiệt độ môi trường θ0 = 270C
lên đến giá trò nhiệt độ nóng chảy của thép θnc = 17500C là : m2CT (θnc - θ0)
Hay : 10.000.0,1325 (1750 – 27) = 2283.103 (Wh)
Năng lượng cần thiết để nấu chảy thép :
m2 . L = 10.000 . 50 = 500 . 103 (Wh)
Vậy E1 = 2283 + 500 = 2783 (KWh)

2. Năng lượng nhiệt truyền ra nước làm mát E2.
Hệ số truyền nhiệt chung K :
24


1
1
e
e
1
=
+ 1 +
+
K K x λx λcu K H
1
1
0,83 0,02
1
=
+
+
+
= 0,0266(o Km 2 / W )
K 1000 1,2
395 2000
Diện tích bề mặt thành lò :

S = πd c h = π .0,46.0,9 = 1,30(m 2 )
Công suất nhiệt truyền vào nước làm mát bằng :

= Φ H .t = K .S (θ nc − θ H )t

E2

=

1
200
.1,3(1750 − 50).
= 277( KWh)
0,0266
60

3. Nhiệt tiêu tán do bức xạ từ bề mặt chậu kim loại nóng chảy E3.

E3 = εσ (T14 − T04 ) Sb .t

Trong đó :
ε - hệ số phản xạ – 0,28
σ - hằng số Stéfan – 5,67 . 10-8 W/(oK.m2)
T1 – nhiệt độ trên bề mặt chậu kim loại nóng chảy
1750 + 273 = 2023 (oK)
T0 – nhiệt độ môi trường - 27 + 273 = 300 (oK)
Sb – bề mặt bức xạ của lớp xỉ :

π 2
π
(d c − d12 ) = [(0,46) 2 − (0,15) 2 ] = 0,1485(m 2 )
4
4

200
= 0,28.5,67.10−8.0,1485[2023) 4 − (300) 4 ].
60
= 131560(Wh)
= 131,6( KWh)
=

Sb
Từ đó :

E3

E3
Hay :
4. Tổng năng lượng để tạo ra một thỏi đúc :

E = E1 + E2 + E3 = 2783 + 277 + 131,6 = 3191,6( KWh)
5. Công suất nhiệt cần thiết :

P=

E 3191,6.60
=
= 957,6( KW )
t
200

6. Công suất lắp đặt :

Pd =

P 957,6
=
= 1008( KW )
η
0,95

25